GEOLOGIA E GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Introduzione
Per “energia geotermica” si intende l’energia contenuta sotto forma di calore nell’interno della Terra; l’origine di questo calore è in relazione con la natura interna del nostro pianeta. Malgrado tale calore sia in quantità enorme e praticamente inesauribile, anche considerando solo la crosta terrestre e non le zone più profonde del pianeta, esso è tuttavia assai disperso, raramente concentrato e sovente a profondità troppo elevate per essere sfruttato industrialmente.
Il calore interno si dissipa con continuità verso la superficie della Terra, ma i suoi effetti sono in generale poco percettibili.
La temperatura delle rocce aumenta progressivamente con la profondità in media di 3 °C ogni 100 m. Questo aumento è chiamato “gradiente geotermico”. Tale valore è maggiore in corrispondenza di aree vulcaniche e minore in aree glaciali come la Siberia.
L’energia geotermica è quindi un’energia sfruttabile ove esista un gradiente geotermico anomalo (zone vulcaniche con attività superficiale) (vedi fig. 1 e 2).
In Italia tale energia è sfruttata solo in particolari aree come per es. Larderello in Toscana, ma le potenzialità sono ancora molto grandi.
La geotermia a bassa entalpia, argomento del presente articolo, dipende solo parzialmente dal gradiente geotermico terrestre. Infatti, il principio sfrutta la capacità delle terre e delle rocce di mantenere costante la temperatura durante l’anno (effetto cantina).
Principi di geotermia a bassa entalpia
In considerazione di ciò, per un uso diffuso, è assai più economico utilizzare, come alternativa, il principio dello scambio termico o “geoscambio”. Su questo principio si basano le pompe di calore a bassa entalpia.
La pompa di calore sfrutta l’effetto della massa termica dei terreni e la loro capacità a mantenere costante nel tempo la temperatura. Applicando il primo principio della termodinamica, è possibile produrre calore, introducendo una certa quantità di energia dall’esterno (corrente elettrica).
Il vantaggio è che, tranne casi particolari, tale principio è applicabile ovunque, con un modesto consumo di energia.
In particolare si evidenzia che i primi 10 m dal p.c. delle terre e delle rocce risentono delle escursioni termiche stagionali e la temperatura è quella media dell’aria.
Oltre i 10 m di profondità la temperatura è pressochè costante e compresa tra 10 e 16 °C (variabile in funzione del gradiente geotermico locale).
Intorno ai 100-150 m di profondità la temperatura è compresa tra 13 e 17 °C.
Queste condizioni, costanti tutto l’anno e indipendenti dall’andamento climatico esterno, risultano ottimali per l’associazione pompa di calore – sonda geotermica o sistema “geoscambio”, inesauribili, nonché rinnovabili nel tempo.
In considerazione di quanto sopra è possibile affermare che un impianto di sonde geotermiche trae l’energia dal sottosuolo, utilizzando il sottosuolo stesso come un “serbatoio geotermico” in continua autoalimentazione ed in grado di rigenerarsi.
Tale sistema, pur avendo le fondamentali proprietà sopra descritte, non può essere sfruttato in modo standardizzato e talora “selvaggio”, e cioè senza le accortezze che l’ambiente specifico richiede.
Ciò impone, pertanto, una corretta progettazione necessaria per verificare che la quantità di energia estratta dal sottosuolo per riscaldare l’abitazione non sia superiore a quella necessaria a rigenerare il serbatoio geotermico e che le opere in previsione non incidano negativamente sull’ambiente (inquinamento delle falde, stabilità dei versanti ecc…)
Principi di Geologia
Terra (materiale sciolto)
Una “terra” è definibile come un agglomerato di particelle litiche a diversa granulometria (ciottoli, ghiaia, sabbia, limo, argilla) che se immerso in acqua si disgrega.
Una delle caratteristiche fondamentali di un materiale sciolto o poco coesivo (terra) è la presenza di vuoti tra loro interconnessi.
Tale proprietà costituisce la “permeabilità”, ovvero la capacità di una terra a lasciarsi attraversare da un fluido (acqua o aria). La velocità di movimento del fluido è ovviamente dipendente dalle dimensioni dei vuoti e dalle loro interconnessioni.
Le terre, essendo poco coesive, hanno anche la proprietà di essere facilmente scavabili e dotate di scarsa stabilità su elevate pendenze (>45°).
Roccia
Anche le rocce hanno una quantità di vuoti assai variabile, in genere molto piccola, talora praticamente nulla.Le rocce sono difficilmente scavabili (elevata coesione e compattezza) e la loro permeabilità è necessariamente assai inferiore rispetto a quella delle terre, talora trascurabile. Le rocce sono dotate di buona stabilità anche su scarpate subverticali.
Idrogeologia
L’acqua nelle terre e nelle rocce normalmente è in movimento (tranne casi particolari di acque fossili) e si chiama “falda freatica” e la sua velocità è necessariamente superiore nelle terre rispetto alle rocce e comunque variabile in funzione della loro permeabilità.
Geomorfologia
La geomorfologia è la branca della geologia che si occupa di studiare le forme superficiali del terreno, cercando di interpretarle in chiave geologica. Infatti tali forme “morfologiche” sono sempre connesse a fenomeni superficiali o profondi di carattere “geologico”.
Vengono ovviamente escluse le forme di origine antropica che vanno comunque distinte dalle altre forme naturali.
Le più importanti forme che si studiano sono i dossi, gli avvallamenti, la stabilità dei versati (frane, erosioni), gli sprofondamenti, ecc…
Cenni Sulla Perforazione
Le terre e le rocce per poter essere sfruttate nel sistema geoscambio, devono necessariamente essere scavate per potervi installare le sonde geotermiche che costituiscono il mezzo di scambio con la pompa di calore.
Le sonde orizzontali, potendole effettuare solo su materiale sciolto, è sufficiente lo scavo di trincee o sbancamenti tramite semplice escavatore.
Per la posa in opera delle sonde verticali, invece, è necessaria un’attrezzatura specifica.
Per la perforazione in verticale, dovendo raggiungere profondità dell’ordine dei 100-200 m, si utilizzano delle “perforatrici”.
Queste macchine sono costituite da un carro semovente (cingolato o autocarro), sul quale viene montata la perforatrice vera e propria.
La perforatrice è costituita da una colonna rigida di sostegno (slitta o mast), sulla quale scorre un blocco idraulico detto testa di perforazione e un gruppo motore che induce il movimento di rotazione della testa.
Alla testa di perforazione vengono applicate le aste (tubi cavi in acciaio speciale) alla cui estremità è attaccato lo scalpello.
Lo scalpello è l’utensile che fisicamente rompe il terreno e forma un foro cilindrico.
Lo scalpello, normalmente utilizzato nelle perforazioni per la posa di sonde geotermiche, è costituito da un “martello fondo foro”, cioè una specie di maglio munito di bottoni abrasivi, che viene fatto ruotare dalla testa di perforazione tramite le aste. Rispetto ad altri utensili il martello fondo foro è in grado di avere un moto di oscillazione verticale tramite l’insufflazione di aria compressa.
L’aria, che viene immessa lungo le aste, serve sia per l’oscillazione del martello (battuta), sia per lo spurgo del foro, cioè per portare in superficie il materiale frantumato dall’utensile.
Questa tecnica, molto efficace allo scopo, necessita però della complessa attrezzatura sopra descritta, e di personale altamente specializzato. Quindi l’esecuzione del foro è necessariamente piuttosto costosa.
(vedi fig. allegate)
Aspetti Geologici Applicati Alle Pompe Di Calore
In considerazione di quanto sopra descritto è evidente l’importanza dell’aspetto geologico nella progettazione delle pompe di calore geotermiche, a sistema geoscambio.
La Divisione per l’Energia Elettrica e le Energie Rinnovabili del Canada afferma che:
“Non esiste sistema di riscaldamento e condizionamento in grado di ridurre le emissioni di gas serra ed il conseguente impatto sul riscaldamento globale così efficace come le pompe di calore geotermiche” (fonte Dip. Energia Canada). Ciò spiega le potenzialità e l’elevata compatibilità ambientale che accompagnano un sistema geotermico a pompa di calore.
Pur tuttavia, tutte le attività rivolte allo sfruttamento di energia naturale, devono confrontarsi con i delicati equilibri dell’ambiente in cui si opera. Nel caso specifico si tratta dell’ambiente geologico, per il quale solo il geologo ha le conoscenze necessarie per affrontare tutte le problematiche connesse in modo corretto.
Di seguito si descrivono i principali aspetti geologici che devono essere studiati per una corretta e completa progettazione.
Conduttività termica
La conduttività termica (l=W/mK) è la capacità di un materiale di trasmettere calore. Questo parametro è quello più importante per il dimensionamento delle sonde geotermiche. Infatti in funzione della conduttività e della richiesta termica dell’utente, dipende la lunghezza delle sonde.
La conduttività termica è assai diversa in funzione del tipo di terreno interessato ed è direttamente proporzionale alla saturazione in acqua e inversamente proporzionale alla porosità dei terreni attraversati dalle sonde.
Pertanto, la prima grande differenza si ha tra materiale sciolto e roccia, in condizioni secche.
Il materiale sciolto (terreni di copertura), avendo molti vuoti, è poco conduttivo, in quanto l’aria è un isolante. La roccia, invece, essendo molto più compatta e dotata di una quantità trascurabile di vuoti è molto più conduttiva.
La conduttività dipende anche dalla composizione del materiale sciolto e della roccia.
Infatti, ogni tipo di roccia ha una sua conduttività come anche ogni tipo di materiale sciolto (soprattutto in funzione della granulometria).
Non ci si deve poi dimenticare dell’acqua.
L’acqua ha una grande capacità termica e la sua presenza sotto forma di falda in movimento, costituisce una condizione molto importante per un maggiore rendimento. Una falda in movimento aumenta notevolmente la velocità di ripristino delle temperature iniziali.
Nel dimensionamento delle sonde, la presenza dell’acqua viene normalmente trascurata, a favore di sicurezza.
Per la definizione della conduttività termica è possibile ricorrere a valori tabellati, presupponendo la conoscenza precisa dei terreni interessati, oppure è possibile effettuare uno specifico test in sito detto “Ground Response Test” (test auspicabile soprattutto per i grandi impianti).
Rischi
Essendo lo scopo principale delle sonde geotermiche la produzione di acqua calda, è evidente che la necessità principale è quella di assorbire calore dal terreno. Ciò comporta però un’anomalia negativa di temperatura nell’immediato intorno della sonda geotermica.
La zona di influenza dell’anomalia termica ha una forma a cono rovesciato verso il basso, con un raggio di base 5-7 m (in prossimità del p.c.).
Di ciò si deve tenere conto quando sia necessaria la posa di più sonde, onde evitare interferenze termiche.
Giacchè la temperatura di ritorno dalla pompa nei periodi di massimo stress (gennaio- febbraio) arriva a –1/-2 °C, dal punto di vista geologico, il rischio principale è il congelamento del terreno nell’immediato contorno delle sonde nell’eventualità di un loro sottodimensionamento.
Infatti, se la sonda geotermica non ha una lunghezza adeguata non è in grado di scambiare il calore e quindi il sistema entra in crisi. Il congelamento comporterà il blocco dell’impianto rendendo necessaria una nuova perforazione, integrativa.
Su impianti di grandi dimensioni buona parte delle problematiche connesse all’eccessivo abbassamento della temperatura vengono ovviate con il rinfrescamento estivo.
Infatti, d’estate vi è la possibilità di invertire il processo, sfruttando la minore temperatura rispetto all’esterno, immettendo caldo nel terreno. In un certo senso, si va a ricaricare il serbatoio termico per l’inverno.
Si ricorda che dagli studi effettuati, il terreno per ripristinare le condizioni di equilibrio termico iniziali, impiega un tempo pari a quello del suo sfruttamento
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Aspetti geologici
La conoscenza dei tipi di terreno non è necessaria solo per le caratteristiche di conduttività, ma anche per altre problematiche geologiche.
Stabilità dei versanti
Per la realizzazione delle sonde geotermiche si usano macchinari piuttosto ingombranti e pesanti, ciò rende necessario predisporre adeguate piazzole di manovra.
Se queste vengono eseguite su un pendio, l’operazione potrebbe innescare dissesti. Inoltre, è altrettanto importante verificare che le sonde non vengano realizzate su un versante instabile.
La verifica della stabilità attuale e futura del versante su cui si intende realizzare le sonde è quindi di fondamentale importanza sia per non innescare nuovi fenomeni di dissesto e sia per garantire l’integrità delle sonde geotermiche nel tempo. (Un movimento del versante potrebbe danneggiare irrimediabilmente le sonde geotermiche compromettendone l’utilizzo).
Perforabilità
Le conoscenze geologiche e geotecniche dei luoghi interessati dall’impianto sono molto importanti anche per l’approntamento del cantiere di perforazione.
Infatti, le tecniche e le attrezzature di perforazione sono strettamente connesse con la tipologia di materiale attraversato.
È intuitivo che perforare rocce granitiche sane (rocce molto dure e abrasive) non presenterà le stesse difficoltà della marna (rocce tenere). Nel primo caso le tempistiche di perforazione sono molto lunghe e l’usura degli utensili è elevatissima, nel secondo caso la velocità di perforazione è molto elevata e normalmente con pochi problemi.
Allo stesso modo è assai diverso perforare argilla coesiva, rispetto a ghiaia e sabbia. Nel primo caso il foro in argilla è dotato di autosostentamento, ma l’utensile tende ad impastarsi ed incagliarsi. Nel secondo caso la perforazione risulta piuttosto rapida, ma il foro ha scarsi tempi di autosostentamento e tende a franare con i problemi che ne conseguono.
Carsismo
Un problema geologico assai particolare, anche se non così inconsueto, è quello legato al carsismo.
Il carsismo è il fenomeno di dissoluzione in acqua da parte di alcuni particolari tipi di roccia (gessi e calcari). Tale fenomeno comporta la formazione di cavità “carsiche” nel sottosuolo, più o meno estese.
È intuitivo che la presenza di cavità comporta la mancanza di scambio termico, rendendo vano il sistema.
Si ricorda che un carsismo a rapida evoluzione avviene soprattutto in rocce gessifere. In questo tipo di rocce si manifesta, però, anche un altro problema di cui tenere adeguato conto: l’acqua che attraversa i gessi provocandone la dissoluzione, si arricchisce in ione solfato, producendo acido solforico.
Si formano così acque “acide”, aggressive, con fenomeni di corrosione/soluzione della bentonite ove sono annegate le “sonde plastiche”.
Aspetti idrogeologici
L’aspetto più delicato nell’ambito delle pompe di calore geotermiche, è certamente quello idrogeologico.
In questo caso le problematiche da conoscere ed i rischi da evitare sono i seguenti:
Rischio di mettere in comunicazione acquiferi superficiali con quelli profondi, anche in pressione.
Il problema sorge durante la fase di perforazione. Giacchè in zone di pianura l’acqua utilizzata a scopo idropotabile deriva dal pompaggio di falde profonde o da falde profonde in pressione, caratterizzate da acqua non inquinata, l’esecuzione del foro per le sonde, a profondità di 100-150 m, potrebbe mettere in comunicazione gli acquiferi superficiali inquinati, con quelli più profondi e puliti, con grave rischio per la potabilità dell’acqua.
Rischio di inquinamento della falda freatica da parte di additivi usati nelle sonde, se la falda è usata a scopo idropotabile.
Va verificato anche il rischio di inquinamento della falda nell’eventualità di rottura dei tubi usati per le sonde (polietilene tipo PE-HD), con fuoriuscita del liquido contenuto (in genere additivato con sostanze antigelo, quali glicole propilenico o etilenico)
Gli impianti non dovranno essere realizzati in corrispondenza di particolari aree di tutela dell’acqua ad uso idropotabile, stabilite dal sistema urbanistico Comunale e dalle norme Provinciali e Regionali. Ciò allo scopo di evitare qualsiasi tipo di rischio di inquinamento chimico, ma anche termico indotto dallo scambio di temperatura.
Per quanto riguarda le aree montane è assai importante la conoscenza della circolazione idrica sotterranea soprattutto se la falda è alimentata a breve distanza da acque glaciali o glacio-nivali. Infatti, in questo caso, è assai probabile che l’acqua di circolazione abbia una temperatura molto bassa, comportando una netta riduzione del rendimento delle sonde per mancanza di scambio termico in riscaldamento.
CONCLUSIONI
Quanto riportato in questo documento è una panoramica sintetica e talora anche semplificata degli aspetti e delle problematiche inerenti le pompe di calore geotermiche con sistema “geoscambio”.
Si sottolinea che la presente relazione si riferisce soprattutto alle sonde verticali, le cui problematiche progettuali sono più complesse e delicate rispetto a quelle di altri tipi di pompa di calore.
In particolare, si vuole sottolineare (anche se alla luce di quanto sopra affermato risulta intuitivo) l’importanza della consulenza/progettazione geologica delle sonde geotermiche, ambito in cui il geologo è l’unica figura professionale che ha le adeguate conoscenze scientifiche del sottosuolo.
È ormai assodato, anche da varie testimonianze a livello mondiale (l’esperienza nel settore è ormai di 40-50 anni), che il principio delle pompe di calore geotermiche è la migliore soluzione per un risparmio energetico nel rispetto dell’ambiente.
In Italia il mercato è in sensibile crescita, ma spesso in modo selvaggio, a causa della mancanza di una normativa univoca.
Nei Paesi del nord Europa (Svizzera, Austria, Svezia, Germania) le norme sono chiare e assai precise, soprattutto tendenti ad agevolare lo sviluppo di questa tecnologia.
In Italia la normativa è demandata alle Regioni e alle Province.
Giacchè pochi enti in Italia si sono provvisti di regolamento al riguardo, in attesa di una normativa adeguata, la corretta esecuzione di questa tecnologia è demandata alla professionalità dei tecnici del settore e al loro corretto comportamento deontologico!.
Riferimenti Bibliografici
- BASTA SAVINO, MINCHIO FABIO: Geotermia e pompe di calore, guida pratica agli impianti geotermici di climatizzazione – 2008. Edito da Associazione Geotermia.org.
- EARTH ENERGY DESIGNER: Manuale del programma di calcolo EED 3.0 – 2008. Blocon.
- CONSIGLIO NAZIONALE DEI GEOLOGI: LA GEOTERMIA: ieri, oggi, domani – 2007. Allegato n° 1-2/2007 di “Geologia tecnica & ambientale”.